燃料電池車用空氣壓縮機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

鮑鵬龍，章道彪，許思傳，萬玉

(1.同濟大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804；2.上海汽車集團股份有限公司乘用車分公司，上海201804)

燃料電池車用空氣壓縮機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

鮑鵬龍1，章道彪2，許思傳1，萬玉1

(1.同濟大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804；2.上海汽車集團股份有限公司乘用車分公司，上海201804)

燃料電池車用空氣壓縮機可以為燃料電池的陰極反應(yīng)提供高壓空氣，其性能好壞直接影響燃料電池系統(tǒng)的性能。針對車用燃料電池對空壓機的特殊要求，總結(jié)了目前燃料電池車用空壓機的研發(fā)現(xiàn)狀，比較了幾種典型空壓機的性能表現(xiàn)，最后分析了其未來的發(fā)展趨勢。結(jié)果表明：離心式空壓機在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，且與渦輪機匹配工作是進一步提高燃料電池系統(tǒng)性能的有效措施。

燃料電池；空壓機；渦輪增壓；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

隨著能源匱乏和環(huán)境破壞問題的日益凸顯，燃料電池技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物主要是水，實現(xiàn)真正的零污染。同時，由于不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率可達到60%～80%[1]。燃料電池具備高效率、無污染、使用性廣、低噪音等特點，被認為是未來最有可能替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機的汽車動力源。

空氣壓縮機是車用燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的重要部件，通過對進堆空氣進行增壓，可以提高燃料電池的功率密度和效率，減小燃料電池系統(tǒng)的尺寸。但空壓機的寄生功耗很大，約占燃料電池輔助功耗的80%[2]，其性能直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性。因此，各國的燃料電池項目對空壓機的研究都非常的重視。

1 燃料電池用空氣壓縮機

典型的燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)由空氣過濾器、空壓機、電機、中冷器、增濕器和膨脹機等組成[3]。其中，空壓機由電機和膨脹機共同驅(qū)動。根據(jù)電堆的輸出功率，為燃料電池提供所需壓力和流量的干凈空氣。在空氣供應(yīng)系統(tǒng)中，空氣的壓力和流量對燃料電池系統(tǒng)的性能(能量密度、系統(tǒng)效率、水平衡和熱損失)，成本和電堆的尺寸等有很大的影響。高壓燃料電池系統(tǒng)不僅能提高電堆的效率和功率密度，同時還能夠改善系統(tǒng)的水平衡[4-5]，如圖1所示。

圖1 不同的空氣壓力對電堆性能的影響[6]

為實現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)換效率，燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)對空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有著嚴格的要求。但目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)壓縮機無法滿足燃料電池對空氣的要求。因此設(shè)計一個性能優(yōu)越并能很好地與燃料電池系統(tǒng)進行匹配的壓縮機，對于燃料電池的發(fā)展至關(guān)重要。

適用于燃料電池的空壓機需要滿足以下要求：

(1)無油。潤滑油會使電堆發(fā)生中毒，因此空壓機需要采用水潤滑軸承或空氣軸承；

(2)高效?？諌簷C的寄生功率巨大，其效率直接影響著燃料電池系統(tǒng)的性能；

(3)小型化和低成本。燃料電池受其功率密度和成本的限制，小型化和低成本有助于燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化；

(4)低噪聲?？諌簷C是燃料電池系統(tǒng)最大的噪聲源之一，空壓機的噪聲必須被控制；

(5)喘振線在小流量區(qū)?？梢詫崿F(xiàn)燃料電池在小流量高壓比工況下高效地運行；

(6)良好的動態(tài)響應(yīng)能力。當需求功率發(fā)生變化時，空氣流量和壓力需進行無延遲地進行調(diào)整，以跟蹤輸出功率的變化。

在車用燃料電池的發(fā)展過程中，針對空氣壓縮機的設(shè)計和優(yōu)化在持續(xù)地進行著。本文結(jié)合國內(nèi)外的研究成果，總結(jié)了幾種典型燃料電池用壓縮機的結(jié)構(gòu)和性能特點，并分析了空氣壓縮機的未來發(fā)展趨勢。

2 空氣壓縮機的研究現(xiàn)狀

空壓機是燃料電池系統(tǒng)空氣供應(yīng)系統(tǒng)的重要部件，針對不同的燃料電池系統(tǒng)的性能需求，往往需要不同的空氣壓縮機與其匹配，常用的空壓機類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式空壓機等。

2.1 渦旋式空壓機

無油潤滑雙渦圈渦旋式空壓機是適合用于燃料電池的空壓機結(jié)構(gòu)形式，具有效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可靠性高等特點[7-8]。目前已被日本豐田(Toyota)、美國UTC等多家公司應(yīng)用于燃料電池上。

美國DOE和Author D.Little公司[9]合作完成兩代渦旋式空壓機/膨脹機樣機(CEM)的設(shè)計和制造。第一代樣機被用于28 kW燃料電池，能提供流量為42 g/s，壓力達到2.2×105Pa的壓縮空氣。第二代樣機在此基礎(chǔ)上提升了空壓機的轉(zhuǎn)速和排量，可以滿足50 kW燃料電池的特性需求，其性能曲線如圖2所示。

圖2 渦旋空壓機的壓比/流量特性和功率需求

Author D.Little公司所設(shè)計的渦旋式空壓機的壓比/流量特性已滿足DOE的要求，其最高壓比達到3.2。但在流量百分比小于80%的工況下，空壓機耗功較大，是DOE目標功耗的1.5～2倍。同時空壓機的尺寸和質(zhì)量與DOE的要求相差很大，仍需進一步優(yōu)化。

2.2 螺桿式壓縮機

螺桿式空壓機利用螺桿之間形成的空氣槽來壓縮空氣，結(jié)構(gòu)簡單、高效、可靠、具有寬的流量范圍和良好的壓比/流量特性，是理想的燃料電池用空壓機[10]。美國GM、PlugPower、德國Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料電池中都采用了螺桿式壓縮機。

戴姆勒公司在Mercedes-Benz A級燃料電池汽車(68.5 kW)上使用螺桿式空壓機/膨脹機，其噴水螺桿式空壓機可有效地降低壓縮空氣的溫度，保持燃料電池的水平衡特性，使系統(tǒng)效率提高4%。并與膨脹機配合工作，回收部分排氣能量，減少空壓機的寄生功耗[6]。但螺桿式空壓機和膨脹機的噪聲問題不容忽視，為減小噪聲而采取的措施，進一步增加了系統(tǒng)的成本、質(zhì)量和復(fù)雜性。圖3為戴姆勒公司研制的空氣供應(yīng)系統(tǒng)。

圖3 戴姆勒公司研制的空氣供應(yīng)系統(tǒng)

Mercedes-Benz B級與F級燃料電池汽車則采用電機驅(qū)動的螺桿式空壓機[6]，可以有效地改善空氣供應(yīng)系統(tǒng)的壓比/流量特性，使壓比達到2.9，滿負荷功耗為9.1 kW(80 kW FCS)?？諌簷C的設(shè)計和選擇應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的噪聲、壓比、流量、質(zhì)量和效率等各方面因素，以使燃料電池系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。

2.3 離心式空壓機

離心式空壓機屬于葉片式空壓機，具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高等特點[11]。通過旋轉(zhuǎn)的葉輪對氣體作功，在葉輪和擴壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓和降速擴壓作用，將機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。但離心式空壓機在低流量時會發(fā)生喘振現(xiàn)象，這將嚴重影響系統(tǒng)的性能和空壓機的使用壽命。

同濟大學(xué)目前正在研發(fā)用于65 kW燃料電池系統(tǒng)的高速電機驅(qū)動的離心式空壓機。通過對壓縮機的蝸殼、葉輪和擴壓器進行設(shè)計和優(yōu)化，開發(fā)了低流量系數(shù)后傾后彎離心式空壓機。設(shè)計參數(shù)如下：最大空氣流量：80 g/s；壓比：1.5～2.5；潤滑：水潤滑方式；系統(tǒng)功耗：<10 kW。圖4為同濟大學(xué)開發(fā)的離心式壓縮機樣機。

圖4 同濟大學(xué)開發(fā)的離心式壓縮機樣機

其在國內(nèi)首次實現(xiàn)了離心式空壓機在80 000 r/min轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定運行，目前處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。其空壓機所采用的水潤滑軸承，相比較空氣潤滑方式，不需要空壓機提供額外的高壓空氣用于空氣軸承，提高了壓縮機的做功能力，但同時水潤滑軸承需要增加額外的潤滑水路和驅(qū)動裝置，使得系統(tǒng)更加復(fù)雜化。圖5為不同空壓機的喘振線對比。

圖5 不同空壓機的喘振線對比

相比較現(xiàn)有的工業(yè)離心式壓縮機，同濟大學(xué)所開發(fā)的離心式空壓機具有更窄的喘振邊界和更寬的穩(wěn)定運行范圍，在小流量工況下，可以實現(xiàn)更大的壓力升高率，有利于空壓機在低流量高壓比工況下正常運行而不發(fā)生喘振。

2.4 羅茨式空壓機

結(jié)合公式得知：1)若n、q和 fk均恒定時，因為q等于p，min/線程數(shù)及min/處理核數(shù)；2)若 fk恒定時，，因為q等于p，要借助移動終端多核處理器，開展并行處理操作；3)參考h、q二者的聯(lián)系，包括下述不同狀況：首先為，同q、n及 fk都存在聯(lián)系，條件吻合時得到最小t(n )；其次為q＞(h-1) ，同h呈正比，因此不存在最小t(n)。

燃料電池系統(tǒng)的成本和可靠性一直制約著燃料電池汽車的推廣，美國DOE為研制面向未來燃料電池系統(tǒng)的高性能空氣壓縮機，近幾年與美國伊頓公司合作基于現(xiàn)有的P級和R級羅茨式壓縮機研制了新型的空氣供應(yīng)系統(tǒng)。伊頓公司[12-14]選用P400和R340 TVS系列羅茨式空壓機作為原型機進行設(shè)計，并由電機和膨脹機聯(lián)合驅(qū)動，通過調(diào)整其峰值效率點，使其適用于80 kW的燃料電池系統(tǒng)。圖6為羅茨式壓縮機。

圖6 羅茨式壓縮機

TVS系列羅茨式空壓機在做功能力、功率密度以及經(jīng)濟性等方面具有較大的優(yōu)勢。為了滿足燃料電池的特殊要求，伊頓公司對TVS系列羅茨式空壓機的轉(zhuǎn)子、外殼和進氣口進行設(shè)計和改進。采用鋁合金轉(zhuǎn)子技術(shù)，減小轉(zhuǎn)子間隙，提高壓縮機的效率；增大轉(zhuǎn)子的螺旋角，提高壓縮機的增壓能力；同時重新設(shè)計了壓縮機的進出口幾何結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)變得更加緊湊。改進后壓縮機可以為系統(tǒng)提供壓比2.5，流量92 g/s的壓縮空氣。

選用羅茨式空壓機作為燃料電池用空壓機的優(yōu)勢如下：(1)羅茨式空壓機的工作轉(zhuǎn)速較低，可以不必使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空氣軸承；(2)具有較寬的高效運行區(qū)，可以提高整個工況的燃料經(jīng)濟性；(3)羅茨式空壓機的技術(shù)已經(jīng)相對成熟，在其他的領(lǐng)域已經(jīng)得到充分利用。

2.5 螺旋式交叉滑片壓縮機

螺旋式交叉滑片結(jié)構(gòu)(Toroidal Intersecting Vane Machine)是一種富有創(chuàng)造性的機械結(jié)構(gòu)，屬于容積式機械。其工作原理如圖7所示，兩組呈90°的滑片鏈相互嚙合形成壓縮空腔，并通過交叉旋轉(zhuǎn)來壓縮空氣。

圖7 螺旋式交叉滑片機的工作原理

目前只有美國Mechanology LLC公司開發(fā)了用于燃料電池系統(tǒng)的螺旋式交叉滑片壓縮機[15]。Mechanology對TIVM的副轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，消除滑片間的功的傳遞，可以有效地減小滑片間的摩擦損失。同時通過建立數(shù)學(xué)模型和理論計算對嚙合滑片表面結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)設(shè)計，減小因泄露造成的壓力損失，可以使得空壓機出口的壓力提高6.7×104Pa。

DOE針對50 kW車用燃料電池系統(tǒng)的要求對TIVM樣機進行測試，測試結(jié)果顯示TIVM樣機具有潛在的性能優(yōu)勢，可以在1 500 r/min的低轉(zhuǎn)速情況下實現(xiàn)小體積大流量(壓比3.2，流量72 g/s)。但樣機仍存在泄露損失和進出口壓力損失較大等問題。

3 空壓機的發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)

由于空壓機的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，空壓機的性能優(yōu)勢也不盡相同。其性能比較如表1所示。

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通過比較可以看出渦旋式、螺桿式和離心式空壓機的綜合性能較好。但渦旋式和螺桿式空壓機的葉片間存在相互摩擦，噪聲和質(zhì)量較大，且難以與渦輪匹配工作，無法回收排氣能量，目前只有通過渦輪與離心式壓縮機匹配來實現(xiàn)。離心式壓縮機在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，被認為是最有前途的空氣增壓方式之一。表2為目前所開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中所使用的空壓機類型。

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從目前國內(nèi)外的研究發(fā)展方向來看，離心式空氣壓縮機是今后最主流的發(fā)展方向。同時隨著燃料電池系統(tǒng)對空氣供應(yīng)系統(tǒng)性能要求的提高，離心式空壓機與渦輪機匹配工作勢必將成為燃料電池用空壓機未來發(fā)展的主要趨勢。

Wiartalla[17]等人利用模型對常用的空壓機以及渦輪機進行仿真，結(jié)果表明在燃料電池的廢氣端使用渦輪機后，在進氣壓力為2.5×105Pa時，電堆的質(zhì)量減小12%，系統(tǒng)效率提高約2%，并隨著壓力的增加而不斷提升。美國DOE和Honeywell[18-21]合作開發(fā)的110 kr/min高速離心式空壓機，采用空氣軸承并通過與渦輪機和電機同軸連接，可以將滿負荷工況時的綜合效率提高5%[22]。

渦輪機能回收廢氣能量，提高系統(tǒng)效率，但往往也會伴隨著系統(tǒng)成本和尺寸的增加。為達到車用要求，兩個關(guān)鍵技術(shù)被用于空壓機和渦輪機?；炝魇娇諌簷C葉輪和可變渦輪進口導(dǎo)葉(VNT)[23]是改善空氣供應(yīng)系統(tǒng)的流量/壓比特性和功率特性的有效方式，如圖8所示。混流式葉輪的特點是在旋轉(zhuǎn)時，既產(chǎn)生離心力又產(chǎn)生推力，高效區(qū)和穩(wěn)定工作范圍較寬，喘振線在更小流量區(qū)域，可以有效地改善壓縮機的低流量性能；渦輪機的可變進口導(dǎo)葉繞軸心旋轉(zhuǎn)，通過改變?nèi)~片開度大小，影響導(dǎo)葉柵最小流通截面積的大小，同時進入渦輪的氣體的角度和速度也會發(fā)生變化，從而改變渦輪機的轉(zhuǎn)速以及壓氣機出口端的增壓壓力。

圖8 使用VNT和混流式葉輪前后空壓機的性能對比

4 結(jié)語

本文闡述了目前燃料電池用空壓機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分別介紹了渦旋式、螺桿式、離心式、螺旋式交叉滑片和羅茨式壓縮機，進行性能對比發(fā)現(xiàn)離心式壓縮機具有更大的性能優(yōu)勢和發(fā)展前景。同時為面向未來的燃料電池發(fā)展，對渦輪增壓器在燃料電池中的應(yīng)用以及兩個提高性能的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，結(jié)果表明渦輪增壓技術(shù)是提高燃料電池系統(tǒng)效率和功率密度的有效方法。因此使用渦輪增壓技術(shù)回收燃料電池尾氣余壓能量以及解決空氣供應(yīng)系統(tǒng)的成本、尺寸和噪聲等問題將成為未來燃料電池研究的主要方向。

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Development status and trend of air compressor in fuel cells vehicle

BAO Peng-long1,ZHANG Dao-biao2,XU Si-chuan1,WAN Yu1
(1.Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.SAIC Motor Passenger Vehicle Co.,Ltd.,Shanghai 201804,China)

The air compressor in fuel cells can provide high pressure air for the electrochemical reaction in fuel cell,the performance of which has direct impact on fuel cells.Concerning the special requirements of fuel cells for air compressor,the current development status of several typical air compressors was introduced and the performance of them was also contrasted.Furthermore,the future trend for air compressor in fuel cells was analyzed.The results show that the centrifugal air compressor for fuel cells has the best comprehensive performance in terms of density,efficiency,noise.Besides,turbocharging is a very effective measure to further improve the performance of fuel cells.

fuel cells;air compressor;turbocharging;development status;future trend

TM 911

A

1002-087 X(2016)08-1731-04

2016-01-02

鮑鵬龍(1992—)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)。